CN1615580A - 一种用于减小信号的动态范围的方法和电子电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减小信号的动态范围的方法，该方法包括以下步骤：－确定该信号的属性，－基于该信号的属性确定一个限幅参数，－借助该限幅参数来对该信号进行限幅，－对该被限幅的信号进行削波。

Description

一种用于减小信号的动态范围的方法和电子电路

发明领域

本发明涉及动态范围压缩的领域，而且更特别地涉及音频信号的动态范围压缩。

背景及现有技术

动态范围控制(DRC)装置已经被使用了很多年，被用于多种目的。DRC装置的应用的一个领域是用在广播中保护发射机以防过载。为了这个目的有必要修改广播信号的动态范围，因为信道具有一个定义的峰值极限，在该极限处会出现服务器失真和过载，而且该信道具有一个由噪声决定的下限。通常源材料的动态范围可以预期大于所述的广播信道的动态范围，并且因此必须利用某种增益控制来使服务区域最大化，同时不让该发射机过载。

限幅器就是一个这样的为特定的广播应用而开发出来的装置。它也被用于在制备音频唱片时防止过切削(over-cutting)，以及在模拟-数字转换之前控制电平。

另一个已知的动态范围控制装置是压缩器。压缩器被用于通过在输入信号电平的更宽范围上工作而实现该动态范围的较大变化。例如，压缩器已经被用于使声音节目信号的相对宽的动态范围匹配于AM无线电发射的窄得多的动态范围。压缩器也能够被用于使由于歌手移离麦克风而引起的电平变化平滑，或者通过改变诸如吉他这样的乐器的固有衰变(decay)特性来产生特定的效果。

许多用于控制数字编码音频信号的动态范围的数字方法可以从McNally，G.W.在1984年音频工程协会杂志(J.Audio Eng.Soc)32，316的数字音频信号的动态范围控制(Dynamic range control of digitalaudio signals)中进行了解。

通常，常规的音频限幅器的特征可以是反馈型的或者是前馈型的。反馈限幅器是更为普遍的类型，因为它的设计一般较为简单并且不需要对该限幅器电路的环路增益进行精确控制，就可以提供更好的峰值电平控制。

前馈限幅器在需要稀疏(thinned)压缩比的应用中更为普遍。

Mapes-Riordan，D和Leach，W M JR在1998年音频工程协会杂志(J.Audio Eng.Soc)36，562的用于音频信号处理的数字信号峰值限幅器的设计(The design of a digital signal peak limiter for audiosignal processing)中提供了对不同的限幅技术的综述。

编号为5,631,969的美国专利说明了一种用于限制输入信号的大小的方法，其中该输入信号被采样和变换以获得它的同相分量及正交分量。该信号样值的相量大小取决于同相及正交分量的相量大小，并且该输入样值基于该相量大小的关系而被限制到一个预定的限定值。特别地，该限幅步骤包括使用预定的门限与该相量大小的比率来缩放该样值输入信号。

编号为4,754,230的美国专利说明了一个通信系统的削波抑制电路。该电路包括一个限幅器峰值检测器以便当压缩后的输出被向削波输出状态驱动时使得输入放大器的增益被降低。

编号为5,579,404的美国专利说明了一种数字到音频限幅器。信号处理系统接收到峰值振幅被限制的输入音频信号，产生响应于该输入音频信号的一个处理后的音频信号，使得可以提供峰值电平的增大，估计该全带宽处理后的音频信号的峰值电平的增大，以及通过将响应于该被估计的峰值振幅而适配的增益因子应用到该全带宽的经受峰值电平增大的部分，来产生一个输出音频信号。

编号为5,471,651的美国专利说明了用于压缩音频信号的动态范围的一种系统。一个音频信号由一个首先对该音频信号的、典型地为数秒长的块进行采样的系统来压缩其动态范围。这个块中的信号的电平被分析并且为该块计算一个理想的信号电平。然后得出一个增益控制信号，该增益控制信号调整被应用到所述块的增益，使其趋向给出所述计算的理想信号电平所要求的状况。

实际上迄今为止已经使用了减小节目素材的动态范围的三种不同的方法：

压缩器

压缩器，或者动态范围压缩器减小了任意节目素材的总的动态范围。例如，如果原始的节目素材具有一个90dB的动态范围，则处理后的动态范围被减小到用于FM广播的40dB，或者用于AM广播的20dB。该压缩器包括两个部分：一个电平检测器和一个具有可变增益的放大器。该检测器可以是峰值检测器或者包括某个时间平均器的均方根检测器。压缩器的拓扑是前馈的或者反馈的。在第一种情况中，该电平检测器的检测出的电平被转换成一个增益值。然后该输出信号由被乘以所述增益值的输入信号组成。通常，如果所述的检测出的输入电平较大，则该增益变小。因此，高电平的输入信号被放大的幅度小于低电平的输入信号被放大的幅度，另一方面，在反馈拓扑中该电平检测器被连接到该压缩器的输出而不是输入。从检测出的电平向所得到的增益的转换描述了压缩的量，而该电平检测器的时间常数决定了该压缩器的时间特性。更复杂的压缩器设计包括超前(look-ahead)特征、可变的起始(attack)和释放(release)时间、软拐点(soft-knee)和硬拐点(hard-knee)过渡以及该压缩器应工作在的动态范围的详细说明。

削波器

削波器是相对简单的应用：如果节目素材的幅度超出了一定的限制，输出就被削波到最大输出值。硬削波器没有过渡范围：该幅值要么被削波，要么不被削波。软削波器具有一定的过渡范围，在这个范围内波形进行非线性变换，以这种方式则在该波形中不会出现硬边缘。

限幅器

限幅器在音频信号中扫描寻找峰值，并且如果需要衰减来阻止削波，则衰减在该峰值附近的音频部分。关联于该衰减曲线的是起始和释放时间。该起始时间是该限幅器用来响应于峰值的时间，而释放时间是该限幅器恢复到原始的信号电平(即无衰减)所需要的时间。

削波器的缺点是明显的：所述的削波处理经常引起对所述的节目素材的无法接受的失真。限幅器和压缩器的缺点涉及到它们的时间特性，特别地，这些系统的恢复或者释放时间常常会遭受几个相矛盾的要求。通过让所述的恢复时间比在该信号的峰值间的时间间隔长，而使短的瞬时峰值产生该信号的一个延长的增益降低。这就是听到的所谓的节目的“空穴(hole)”或者“信息失落(dropout)”。此外，长的恢复时间倾向于减小该信号的功率，而太短的恢复时间将不仅导致信号失真增加，尤其是对输入的低频，而且它还导致以下的现象，例如对演讲中呼吸噪音的放大、持续(钢琴)音符的固有衰变的临时反转、由增益中的随机波动引起的抖动效应、以及该节目材料的其它连续部分的波动。后面的效应通常被称作“增益抽运(gain pumping)”、“呼吸”以及“飕飕声(swishing)”。解决这些问题的尝试已经包括了使用多于一个恢复时间常数以及让该时间常数跟频率成反比。

因此本发明的一个目的是提供一种减小信号的动态范围的改进方法以及相应的电子电路和计算机程序产品。

发明概述

本发明提供了一种减小信号的动态范围的方法，该方法包括以下步骤：确定该信号的属性，基于该信号的所述属性确定一个限幅参数(s)，依靠该限幅参数对该信号进行限幅，对该受限信号削波。

本发明的优选实施方案在从属权利要求中给出。

此外本发明提供了用于执行本发明的方法的一个电子电路和一个计算机程序。

本发明具有特别的优点，因为当信号的属性是使得：同常规的限幅相比，削波在节目素材中产生较小的可预定的(orderable)失真时，本发明使得能够以一种可控制的方式对信号削波。

重要的是要注意动态范围控制的现有技术解决方案注重对该信号的衰减以防止削波以及因而产生的失真。作为对此的一个示例，本发明的出发点在于以下的概念：对于特定的一类信号，限幅比削波导致较小的在节目材料中的听觉上的失真，但对于另外的一类信号，限幅比削波导致更为显著的听觉上的人为痕迹。例如，纯正弦波决不应被削波，因为该削波处理导致显著的失真产物。另一方面，只要该限幅器的释放时间比音调的周期更长，则快速限幅几乎不导致纯音中的可闻调制。对于所述节目素材的非常短暂的部分，例如打击乐器的开始，限幅损害到该瞬态的时间结构(固有的衰变)并且导致对该节目材料的非瞬态部分的增益抽运，而如果这样的瞬态被削波，则由该削波处理所引起的失真产物通常是不可闻的，因为通常瞬态具有宽带频谱并且因此失真产物被该节目素材本身所屏蔽。

当然，很多信号不是这些极端的信号类的一部分。为了确定信号应该被多大程度地限幅或者削波，引入“局部波峰因数”。这个量度被定义为该信号的某个时间片的峰值除以该时间片的均方根(rms)值。对于纯正弦波，该局部波峰因数相当于2的平方根，而局部峰值比局部波峰因数要高的多。

如果该局部波峰因数比较小(2的平方根)，则应该避免削波，而较大值的局部波峰因数表明可能引入更多的削波。

由于大部分压缩器/限幅器已经包含寻找局部峰值及计算该音频信号的某个时间片的均方根值的算法，所以这种处理能够非常轻易地被实现到任意现有的音频限幅器中。此外，计算的复杂度是非常简单的。

根据本发明的优选实施方案，决定限幅和削波的量的信号的属性是通过对该信号加窗以及确定在那个窗口内的信号最大值和信号的RMS值的比值而被确定的。这个比值越高，就更多地使用削波而不是限幅。这具有的优点是信号峰值被削波而不是被限幅，这最小化了信号的可预定失真，因为这样的峰值具有宽带频谱，并且由所述削波引起的失真产物会对信号本身感到吃惊。

根据本发明的其他优选实施方案，在所述窗口中的信号最大值和信号RMS值的比值与所述门限相比较。优选地该门限是2的平方根，这个值是从正弦输入信号中得到的比值。在这种情况下，没有使用削波而且该限幅器的操作不会受到所述比值的影响。

本发明被方便地用于多种音频用途：

助听器

在助听器中，进入该助听器的信号应该尽可能地被放大，而同时使削波的发生最少。因此，在该音频信号中的峰值限制了该助听器的性能并且能够根据本发明而被减小。

音频编码

在有损耗的音频编码应用中，强瞬态和峰值信号导致在所述的编码处理中的困难。在这类应用中，由该音频编解码器引入的量化噪声的频谱和时间特性依赖于将被编码的音频信号。然而，该噪声的频谱特性变化的更新速率通常是受限制的：编码参数为常数的最小音频帧长度总计为几个毫秒。因此，瞬态的编码经常导致由这样一个事实所引起的前回声(pre-echo)：该量化噪声在实际的瞬态之前几毫秒已经调整到高的瞬态电平。为了减小该前回声的可闻度，必须分配相对大数量的比特到该特定的音频帧。因为比特的数量决定了该信号的峰值电平与量化噪声之间的比值，如果依照本发明该峰值电平被降低，则不得不分配较少的比特。

录音行业

尤其是流行音乐，“越响越好”的说法正变得日益重要。如果节目材料的响度均匀地如此，则CD被标以“热卖”。已经被引入的、提高音乐内容的响度而没有提高最大幅值的产品是SPL响度放大器(SPLLoudness Maximizer)、TC电子完成器(TC Electronics Finalizer)以及波形超放大器(Waves Ultramaximizer)。这是本发明的另一个应用领域。

附图简述

本发明的优选实施方案在下文中通过参考附图进行更为详细的说明，其中：

图1是对用于执行减小信号的动态范围的方法的实施方案的流程图的说明，

图2是根据本发明的电子电路的第一实施方案的框图，

图3是替代实施方案的框图。

详细描述

图1所示的流程图说明了信号的动态范围的减小。在步骤1中，输入信号被加窗。这就意味着为了在一个给定的时间点处理该信号，该信号在一个时间窗期间被考虑。

在步骤2中，在该窗口内的该信号的所谓的RMS值被确定。该RMS值是在该窗口内的该信号的功率的平方根。

在步骤3中，在该窗口内的该信号的最大幅值被确定。在步骤4中，计算在步骤3中被确定的该信号的最大值与在步骤2中被确定的该窗口内的该信号RMS值的比值。基于这个比值确定信号的衰减。在该比值或者所谓的“局部波峰因数”是比较大的情况下；这意味着该信号在该时间窗内有一个峰值。该峰值相比于在该窗口内的该信号的其他部分越高，该比值也就越高。该比值构成了去确定一个信号衰减作为用于信号限幅的输入的基础。如果该比值是低的，则没有衰减或者很小的衰减被选择。如果该比值是高的，则较高的衰减因子被选择。该衰减用于控制限幅器，以便对具有大的峰值的信号进行的限幅与具有低峰值的信号不一样多，因为对于具有大的峰值的信号，削波比限幅要更有利。

这样控制限幅器的一种方法是衰减该信号的最大值并且将被衰减后的信号最大值提供给该限幅器作为控制参数。这是在步骤5中完成的。

在步骤6中，用于限幅的缩放因子是基于作为输入参数的所述被衰减后的最大值而被确定的。

在步骤7中，原始信号依靠所述缩放因子，即通过将实际的信号值乘以所述缩放因子，而被限幅。在该信号最大值已经被衰减以向该限幅器提供相应的输入参数、而该缩放因子是基于该输入参数而被确定的情况下，该限幅器的输出可能仍然会超出最大允许的信号电平。这就是为什么在步骤8中该限幅器的输出被削波的原因。

图2说明了用于减小该动态范围的电子电路的相应框图。要被处理的输入信号被以离散的时间域信号x[n]的形式输入，其中x[n]是x[nT]的采样波形以及T是采样周期。例如采样频率f_s为44，1kHz。

x[n]必须在数字域被限制到b比特。因此，代表x[n]的最大幅值M是由M＝2^b-1给出的。图2所示的电子电路的目的是减小信号x[n]的动态范围以便于它不会超出最大幅值M。

该信号x[n]被输入到滤波器10以便对该信号x[n]加窗。例如，应用到该信号x[n]的时间窗被选择为约50毫秒。该滤波器10输出在该窗口长度内的信号x的采样组。

这些采样被输入到滤波器11以确定在该窗口内的该信号的RMS值。该RMS值是为了计算m_RMS而通过对该窗口的信号采样进行平方和积分而被计算出来的。

由所述的滤波器10输出的这组采样也被输入到滤波器12。该滤波器12用于确定在该窗口内的该信号x的最大采样。在该窗口内的该最大采样被表示为m₁。

所述的值m_RMS和m₁被输入到处理单元13以计算所述的比值c，其中c等于m₁除以m_RMS。该比值c也被称作“波峰因数”，因为它表示了同在该窗口内的该信号的最大值和在该窗口内的该信号的RMS值有关的信号的属性。

该比值c被输入到衰减单元14作为控制参数。此外该最大值m₁也被输入到该衰减单元14。该最大值m₁被该衰减单元14与所述的比值c成比例地进行衰减。该衰减用于控制限幅器15以便减少由该限幅器15对具有高的峰值并且因此具有高的比值c的信号执行的限幅的量。

被衰减后的最大值m_c被该衰减单元14输出并且被输入到所述的限幅器15作为控制参数。在限幅器15中的处理单元16基于该被衰减后的最大值m_c确定一个缩放因子s。例如为了限幅，假设该被衰减后的最大值m_c是实际的最大值，该缩放因子s被选择以使得在该时间窗内所述输入信号x[n]不超过预定的最大值M。

所述输入信号x[n]被输入到限幅器15并且乘以该缩放因子s。这就产生了受限的信号x’[n]。由于用作确定缩放因子s的基础的被衰减后最大值m_c不是实际的最大值，而是或多或少地低于实际的最大值，所以该受限的信号x’[n]仍然具有一个或多个超出所述最大值M的峰值。这就是为什么削波操作是借助所述削波器17对受限的信号x’[n]执行的原因。削波器17输出信号x”[n]。该信号x”[n]具有一个不超出所述最大值M的动态范围。

为了防止对闭合一个正弦波的信号进行限幅，比较所述比值c和门限 是有利的。如果该比值低于该门限，则选择参数c以使得在该衰减单元14中不执行衰减。

图3说明了图2的电路的替代实施方案。对应于图2的电路元件的图3的电路元件用同样的参考数字表示。

在图3的电路中，所示滤波器11具有平方单元18和积分器19以计算m_RMS。所示滤波器12具有单元20以确定在该窗口内的信号采样的最大值以及单元21以确定具有最大峰值m₁的采样。

所示处理单元13具有依照下式的单元22：

c＝20log(m₁/m_RMS)-3

在后面的该处理单元13的单元23中，比值m₁/m_RMS同门限 相比较。如果m₁/m_RMS小于 c被设置为等于零。否则c保持不变。该门限处理操作确保了对正弦信号不执行削波。

衰减单元14具有乘法器24以将该比值c乘以校正力度(correction-strength)因子k。该因子k确定了由波峰因数c应用到局部最大值m₁的衰减量。对于k＝0，没有应用校正，并且该限幅器15象常规限幅器一样工作。对于较大的k值，该局部最大值m₁被由k和波峰因数c确定的值减少，该操作是通过乘法器25实现的。该被衰减后的最大值m_c由下式给出：

m_c＝m₁10^-kc/20

限幅器15具有单元26以确定衰减后的最大值m_c和单元27的输出之间的最大值。该单元26的输出是被输入到单元27的最大值h。该输出h乘以exp(-1/f_sτ)，其中τ是该限幅器的释放时间常数。

换句话说，该被衰减后的最大值m_c与在前的衰减后的最大值同指数因子的乘积相比较。从这两个数字，其最大者被取为所述波形的当前的最大值h。因此，τ对应于该限幅器能够释放它的衰减的时间常数。

在单元28内所述h值被转换为所述缩放因子s：

        1         如果h＜M

s＝{

        M/h如果h≥M

其中M是所述的动态范围的最大值。

然后所述的输入信号x[n]依靠在限幅器15内的乘法器29相乘来产生一个被限幅后的输出信号x’[n]。该输出信号被输入到所示削波器17以产生所示信号x”[n]

应该注意：k和c都具有非负值。因此，该被衰减后的最大值m_c小于或等于实际的最大值m₁。如果该被衰减后的最大值m_c实际上小于该较小的实际最大值m₁，削波器17就对该信号进行削波。因为这只发生在具有大的带宽的瞬态，关联于该削波的失真产物不是可预定的。

非正式的收听实验表明：使用约0，5dB/dB的k值、50ms的分析窗口长度以及0，5秒的释放时间τ的实施方案执行得显著地比常规的限幅器(k＝0)更加透明(即，没有听觉失真产物以及显著地较少的抽运和呼吸效应)。尤其对于临界源材料(非常尖峰的波形以及具有深的低音内容的节目材料)，瞬态的响度和时间特性保持得更好。

参考数字列表

滤波器   10

滤波器   11

滤波器   12

处理单元 13

衰减单元 14

限幅器   15

处理单元  16

削波器    17

平方单元  18

积分器    19

单元      20

单元      21

单元      22

单元      23

乘法器    24

乘法器    25

单元      26

单元      27

单元      28

乘法器    29

Claims (10)

1.一种减小信号的动态范围的方法，该方法包括以下步骤：

-确定该信号的属性(c)，

-基于该信号的属性确定一个限幅参数(s)，

-借助该限幅参数来对该信号限幅，

-对该被限幅后的信号进行削波。

2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤以确定该信号的属性：

-对该信号加窗，

-确定在该窗口内的该信号的最大值与在该窗口内的该信号的RMS值的比值。

3.如权利要求2所述的方法，由此当该比值低于一个预定的门限时，不执行削波。

4.如权利要求2或3所述的方法还包括：

-比较该比值和该门限，

-如果该比值低于该门限，则独立于该比值而确定所述的限幅参数。

5.如权利要求3或4所述的方法，由此该门限基本上等于或者高于所得到的用于正弦信号的比值。

6.如前述权利要求2到5中任何一个所述的方法，由此该比值通过校正因子(K)而被修改并且该限幅参数基于该被修改后的比值而被确定。

7.如前述权利要求1到6中任何一个所述的方法还包括以下步骤以基于该属性来确定该限幅参数：

-确定在该窗口内的该信号的最大值，

-与该比值成比例地衰减该信号最大值，

-滤波该被衰减后的最大值，

-如果该被滤波后的最大值高于该动态范围的最大值，则通过将该动态范围的最大值(M)除以该被滤波后的最大值来计算该限幅参数。

8.一种电子电路，包括为执行依照前述的权利要求1到7中任何一个的方法的装置。

9.如权利要求8所述的电子电路，由此该电子电路是音频电路。

10.一种计算机程序，用于执行依照前述的权利要求1到7中任何一个的方法。

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